第02章-结构按极限状态法设计计算的原则课件.ppt
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- 02 结构 极限 状态 设计 计算 原则 课件
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1、混凝土结构设计理论的发展混凝土结构设计理论的发展以弹性理论为基础,我国以弹性理论为基础,我国1985年以前采用此方法。年以前采用此方法。考虑材料的塑性破坏考虑材料的塑性破坏将破坏阶段法的单一的安全将破坏阶段法的单一的安全系数改为分项安全系数,即系数改为分项安全系数,即为荷载系数,材料系数,工为荷载系数,材料系数,工作条件系数。作条件系数。1、容许应力法、容许应力法2、破坏阶段法、破坏阶段法3、极限状态法、极限状态法4、以可靠性为、以可靠性为基础的概率极限基础的概率极限状态设计法状态设计法我国现行公路工程设计我国现行公路工程设计的总原则的总原则概率设计按精确程度可分三个水准:概率设计按精确程度可
2、分三个水准:半概率半概率近似概率(我国)近似概率(我国)全概率全概率最优失效概率最优失效概率 经过大量的试验,用统计方法确定各个变经过大量的试验,用统计方法确定各个变量的规律,确定结构的失效概率,来度量结构量的规律,确定结构的失效概率,来度量结构的可靠性,用:的可靠性,用:结构的可靠性理论作为基础的概率极限状结构的可靠性理论作为基础的概率极限状态设计法作为现行公路工程设计的总原则。态设计法作为现行公路工程设计的总原则。第一节第一节 概率极限状态法设计的基本概念概率极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性与可靠度一、结构的可靠性与可靠度任何一个建筑物在规定的使用期限内都应满任何一个建筑物在规定的
3、使用期限内都应满足安全、适用、耐久三个方面的功能要求:足安全、适用、耐久三个方面的功能要求:(一)安全性:(一)安全性:在正常施工和正常使用条件在正常施工和正常使用条件下,承受可能出现的各种功能的能力,以及各种下,承受可能出现的各种功能的能力,以及各种偶然事件发生时和发生后,仍能保持必要的整体偶然事件发生时和发生后,仍能保持必要的整体性而不至倒塌的能力。性而不至倒塌的能力。(二)适用性:(二)适用性:结构在正常使用条件下具结构在正常使用条件下具有良好工作的性能。有良好工作的性能。(三)耐久性:(三)耐久性:结构在正常维护条件下,结构在正常维护条件下,随时间变化仍能满足功能要求的能力。随时间变化
4、仍能满足功能要求的能力。安全性、适用性、耐久性这三者可以统称安全性、适用性、耐久性这三者可以统称为结构的可靠性(为结构的可靠性(Reliability),即:),即:结构在结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能的能力能力。可靠性用可靠度(可靠性用可靠度(Degree of Reliability),),来进行数量描述,即:来进行数量描述,即:结构在规定的时间内,结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的在规定的条件下,完成预定功能的概率概率。规定的时间一般是指设计基准期,我国现规定的时间一般是指设计基准期,我国现行公路桥规规定桥梁的
5、设计基准期(行公路桥规规定桥梁的设计基准期(Design Reference Period)为)为。规定的条件一般是指正常设计、正常施工规定的条件一般是指正常设计、正常施工和正常使用条件。和正常使用条件。二、结构的极限状态(二、结构的极限状态(Structual Limit State)结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的一种特定临界状态。的一种特定临界状态。极限状态主要分为两类:极限状态主要分为两类:1、承载能力极限状态、承载能力极限状态(Ultimate Limit State)2、正常使用极限状态、正常使用极限状态(Serviceabilit
6、y Limit State)1、承载能力极限状态:、承载能力极限状态:结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。或不适于继续承载的变形。主要表现:主要表现:(1)构件或连接的材料强度超过破坏,构件或连接的材料强度超过破坏,过度塑性变形;过度塑性变形;(2)整个结构或其部分作为刚体失衡,整个结构或其部分作为刚体失衡,如侧移、倾覆等;如侧移、倾覆等;(3)结构体系变为机动体系;结构体系变为机动体系;(4)结构或构件失稳,如压屈等。结构或构件失稳,如压屈等。2、正常使用极限状态:、正常使用极限状态:结构或构件达到正常使用或耐久性能的某结构或构
7、件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。项规定限值。主要表现:主要表现:(1)影响正常使用或外观的变形;影响正常使用或外观的变形;(2)影响正常使用或耐久性的局部损坏影响正常使用或耐久性的局部损坏(包括裂缝);(包括裂缝);(3)影响正常使用的震动;影响正常使用的震动;(4)影响正常使用的其它状态,如渗漏、影响正常使用的其它状态,如渗漏、腐蚀、冻害等。腐蚀、冻害等。设计时是先按承载能力极限状态设计构设计时是先按承载能力极限状态设计构件,再按正常使用极限状态进行验算。件,再按正常使用极限状态进行验算。三、结构的抗力以及功能函数三、结构的抗力以及功能函数1、结构的抗力(、结构的抗力(Resista
8、nce)结构或构件承受作用效应的能力。结构或构件承受作用效应的能力。2、结构的功能函数(、结构的功能函数(Function)若若R为结构抗力,为结构抗力,S为作用效应,则功能为作用效应,则功能函数函数Z=g(R、S)。)。Z=R S,就是,就是最简单的功能函数,随最简单的功能函数,随条件的变化,条件的变化,Z 有三种有三种可能性:可能性:抗力荷载效应可靠失效(1)Z=R-S0,结构抗力大于作用效应,结构抗力大于作用效应,即结构可靠;即结构可靠;(2)Z=R-S0,结构抗力小于作用效应,结构抗力小于作用效应,即结构失效;即结构失效;(3)Z=R-S=0,结构抗力等于作用效应,结构抗力等于作用效应
9、,即处于极限状态。即处于极限状态。因此可以看出,结构安全可靠的基本条因此可以看出,结构安全可靠的基本条件是:件是:Z0或或RS。第二节第二节 我国现行公路桥规的计算原则我国现行公路桥规的计算原则一、三种设计状况一、三种设计状况1、持久状况持久状况,对应桥梁的使用阶段,进行,对应桥梁的使用阶段,进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算;算;2、短暂状况短暂状况,对应桥梁的施工阶段,对应桥梁的施工阶段,一般一般只进行承载能力极限状态的计算;只进行承载能力极限状态的计算;3、偶然状况偶然状况,对于桥梁在使用过程中,对于桥梁在使用过程中可能出现的偶然状况,如地
10、震等,其出现概可能出现的偶然状况,如地震等,其出现概率极小,持续时间短,只需进行承载能力极率极小,持续时间短,只需进行承载能力极限状态的计算。限状态的计算。二、承载能力极限状态计算表达式二、承载能力极限状态计算表达式1、结构的重要性系数、结构的重要性系数0公路桥规按不同的安全等级进行设计,公路桥规按不同的安全等级进行设计,以体现不同情况桥涵的可靠度差异,如表:以体现不同情况桥涵的可靠度差异,如表:安全等级安全等级 破坏后果破坏后果桥涵类型桥涵类型结构重要性结构重要性系数系数0一级一级很严重很严重特大桥、特大桥、重要大桥重要大桥1.1二级二级严严 重重大桥、中桥、大桥、中桥、重要小桥重要小桥1.
11、0三级三级不严重不严重小桥、涵洞小桥、涵洞0.9公路桥涵结构的安全等级公路桥涵结构的安全等级2、承载能力极限状态计算表达式、承载能力极限状态计算表达式 0,dddSRR fa0结构重要性系数,对结构安全等级分为结构重要性系数,对结构安全等级分为一、二、三级,分取一、二、三级,分取1.1、1.0、0.9;Sd承载能力极限状态设计的荷载效应组合承载能力极限状态设计的荷载效应组合(即作用效应)的设计值;(即作用效应)的设计值;R结构构件的承载力(即抗力)设计值;结构构件的承载力(即抗力)设计值;R()结构构件的承载力函数;结构构件的承载力函数;fd 分别为混凝土、钢筋的强度设计值;分别为混凝土、钢筋
12、的强度设计值;ad 几何参数标准值,当几何参数的变异几何参数标准值,当几何参数的变异性对结构性能有明显不利的影响时,性对结构性能有明显不利的影响时,可另增减一个附加值。可另增减一个附加值。2 2、承载能力极限状态计算表达式、承载能力极限状态计算表达式 0,dddSRR fa二、二、持久状况持久状况正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式 按正常使用极限状态设计时,应验算结构按正常使用极限状态设计时,应验算结构构件的构件的应力、变形、抗裂度应力、变形、抗裂度或或裂缝宽度。裂缝宽度。由于结构构件达到或超过正常使用极限状由于结构构件达到或超过正常使用极限状态时,其危害程度上不足以引起结构
13、大规模的态时,其危害程度上不足以引起结构大规模的破坏,因此对它的可靠度,设计时应该适当的破坏,因此对它的可靠度,设计时应该适当的降低。降低。按正常使用极限状态设计时,采用下列极按正常使用极限状态设计时,采用下列极限状态表达式:限状态表达式:C1结构构件达到正常使用要求所规定的结构构件达到正常使用要求所规定的限值,例如变形、裂缝等限值;限值,例如变形、裂缝等限值;S 正常使用极限状态荷载效应(变形、正常使用极限状态荷载效应(变形、裂缝等)组合。裂缝等)组合。SC1 第三节第三节 材料强度的取值材料强度的取值一、材料强度指标的取值原则一、材料强度指标的取值原则 1、材料性能标准值、材料性能标准值f
14、k(Characteristic Value)材料性能标准值是极限状态设计表达式中材料性能标准值是极限状态设计表达式中所取材料性能的基本代表值。所取材料性能的基本代表值。由于材料的离散性,同一等级的混凝土由于材料的离散性,同一等级的混凝土的实际强度并不完全一致,它构成一种分的实际强度并不完全一致,它构成一种分布布正态分布(如下图),可有两个特征正态分布(如下图),可有两个特征值值平均值平均值f 和标准差和标准差f 来确定反映其分来确定反映其分布特性。布特性。ffcu,koPcuf95%5%f 1.6451.6451 1.645kfffff 混凝土强度标准值取实测值概率分布混凝土强度标准值取实测
15、值概率分布0.05分位数确定。可用下式表达:分位数确定。可用下式表达:f k 材料强度标准值;材料强度标准值;f 材料强度统计平均值;材料强度统计平均值;f 材料强度标准差;材料强度标准差;f 材料强度变异系数,材料强度变异系数,f=f /f。/dkfcfffc材料分项系数根据经验取值,规范中材料分项系数根据经验取值,规范中混凝土取混凝土取1.45。2、材料强度的设计值、材料强度的设计值fd(Design Value)材料强度的设计值是材料标准强度除以材料性材料强度的设计值是材料标准强度除以材料性能的分项系数后的值,如下:能的分项系数后的值,如下:二、混凝土强度标准值和强度设计值二、混凝土强度
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